JP2014138475A - 鉄道車両用の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器の冷媒が凍結している場合でも、スイッチング素子の温度上昇を防止したまま冷媒を融解させ、また、冷却器の大きさを変えないまま、所望の冷却性能を有した寒冷地向け鉄道車両用の駆動装置を提供する。
【解決手段】冷却器の冷媒が凍結している可能性があると判断したときにスイッチング素子に一定時間電流を流し、スイッチング素子を発熱させる。冷却器に対しては、受熱部側の温度と放熱部側の温度を測定する２種類のセンサを設置し、受熱部側の温度と放熱部側の温度および電流から求まるスイッチング素子の発熱量から、冷却器全体の熱抵抗を計算し、その値が一定値以上の場合冷媒が凍結していると判断する。冷媒が凍結していると判断すると冷却器の熱抵抗を計算し、暖機運転を開始する。また、計算した熱抵抗からスイッチング素子に流せる電流を計算し、暖機運転中はスイッチング素子の通電電流が計算値以下になるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用の駆動装置に係り、特に寒冷地向け駆動装置の冷却器に関する。

一般に、鉄道車両用の駆動装置は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング動作する電力用半導体素子（以下、「スイッチング素子」という）を用いて電源から供給された電力を変換して、モータや車内の照明などの機器に供給する。スイッチング素子は、電力変換時に内部抵抗等により発生する損失で発熱するため、ある温度以上になるとスイッチング素子としての機能を失う恐れがあり、冷却器によりスイッチング素子の温度上昇を抑える必要がある。

冷却器は、一般に受熱部と放熱部とその間を結ぶ熱輸送部からなる。熱輸送部には冷媒として水を使ったものが一般的であり、いくつかの種類がある。例えば、熱輸送管に充填された水を受熱部と放熱部の間でポンプを使って循環させ、受熱部で吸収した熱を放熱部で放出するいわゆる水循環冷却（水冷）がある。また他に、受熱部と放熱部の間の水の移動を水の相変化を利用することでポンプを使わずに行うヒートパイプ方式もある。

ヒートパイプ方式は、受熱部で素子の熱を吸収すると気化し、水蒸気として放熱部に移動する。放熱部で水蒸気は冷却されて水になり、受熱部に水として戻る。このヒートパイプ方式は、水の循環用のポンプが不要であることから装置をシンプルに構成でき、在来線用の鉄道車両を中心に広く使われている。

ところで、このヒートパイプ式冷却器は、寒冷地などの外気温が水の融点以下（０℃以下）になる場合、水が凍結してしまう。この場合、上述の原理による熱輸送ができなくなり、スイッチング素子の温度が上昇する。

ヒートパイプ式冷却器のこの様な問題に対しては、冷却器の温度を測定し、温度が０℃以下になるとスイッチング素子の電流を通常運転時よりも小さくする暖機運転モードを搭載し、スイッチング素子に発生する損失を制御する方法が、特許文献１に開示されている。

特開２００８−２１１９５６号公報

しかしながら、特許文献１に示された方法では以下に述べる問題がある。
特許文献１では、冷却器の温度を一点で測定して冷却器の凍結を判断しているため、冷媒の状態を正確に判断できない場合がある。例えば、受熱部の温度を測定している場合には、放熱部の温度が受熱部の温度より低くなって凍結しても検出できないことがある。また、放熱部で温度を測定している場合には、放熱部は外気に直接触れているため、外気温度が氷点下になると水が殆ど凍結していなくても検出温度は氷点下となり、誤って水が凍結したと判断して電流を制限してしまうことがある。
以上の理由から、冷媒の凍結状態を正確に検知する方法が必要である。

本発明は、上述した従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、寒冷地など冷却器の冷媒が凍結する可能性がある環境下において、冷媒の凍結状態を正確に検知し駆動装置を制御する方法を提案する。
オン、オフ制御されるスイッチング素子を複数個有し、直流架線から供給される直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置と、
電力変換装置から出力された三相交流電力が供給される三相負荷と、電力変換装置を制御する制御装置と、冷媒として液体を使用しスイッチング素子を冷却する冷却器と、
スイッチング素子に接触しスイッチング素子の熱を吸収する該冷却器の受熱部と、受熱部の温度を測定する受熱部温度センサと、
スイッチング素子から吸収した熱を放熱する冷却器の放熱部と、放熱部の温度を測定する放熱部温度センサで構成される直流車用駆動装置において、
制御装置は、冷却器の冷媒が凍結している可能性があると判断すると、スイッチング素子に対して所定の電流を流し、受熱部温度センサと放熱部温度センサの値を用いて冷却器の熱抵抗を計算し、熱抵抗の大きさが所定の値よりも大きい場合に冷却器の冷媒は凍結していると判断する機能を有する。

本発明によれば、液体を冷媒とする冷却器において、低温時に冷却器の凍結状態を正確に検知し適切な暖機運転を実施することが可能となるため、素子の温度上昇を的確に防止し装置の信頼性向上を図ることができる。また、過剰な暖機運転が不要となるため装置の効率が向上するという効果も奏する。

実施例１におけるシステム構成を示す図である。 実施例１における動作のフローチャートを示す図である。 実施例１、２において冷媒の融解を判断するために用いる熱抵抗の時間的変化を示す図である。 実施例１、２において冷媒の融解を判断するために用いる温度センサの測定値の時間的変化を示す図である。 実施例２におけるシステム構成を示す図である。 実施例３におけるシステム構成を示す図である。 実施例４におけるシステム構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態として、実施例１〜実施例４について順に説明する。

図１は、本発明による鉄道車両用の駆動装置における第一の実施形態（実施例１）を示している。
電力変換装置１は、直流架線２からフィルタ回路３を介して直流電力が給電され、三相交流電力に変換して三相交流モータ４を駆動する。また、電力変換装置１は、ＩＧＢＴやＧＴＯサイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子５〜１０で構成され、各スイッチング素子は、制御装置１１から出力された信号Ｐｉによって個別にオンオフ制御が行われる。

冷却器１２は、冷媒として水などの液体を使用する冷却器で、スイッチング素子５〜１０を冷却する。第一の温度センサ１３は、スイッチング素子５〜１０の温度を測定するセンサで、スイッチング素子の第一の温度情報Ｔｓを出力する。第二の温度センサ１４は、冷却器の放熱部側、例えばヒートパイプの先端部やフィン等の温度を測定する温度センサで、第二の温度情報Ｔｅを出力する。このＴｓ、Ｔｅは制御装置１１に入力される。

第一のセンサ１３が測定する温度は、冷却器の受熱部側の温度であればスイッチング素子５〜１０の温度である必要はなく、例えば受熱部の基材となる冷却器のベースの温度でもよい。また、第二の温度センサ１４は、空調機器管理のために外気温を測定するセンサで代用してもよく、この場合、温度情報Ｔｅは外気温度となる。さらに、これらのセンサをそれぞれ複数個設けても良い。

次に、実際の動作を説明する。
図２は、本発明による動作の流れを表すフローチャートである。
まず、制御装置１１は、第一の温度情報Ｔｓと第二の温度情報Ｔｅを監視し（Ｓ１）、少なくとも一方が、冷却機１２に用いられている冷媒の融点以下、例えば冷媒として水を使っている場合には０℃以下になった場合に（Ｓ２でＮｏの場合）、冷媒が凍結している可能性があると判断する。ただし、冷媒が凍結している可能性があると判断した時点で電力変換装置１がすでに動作している場合は（Ｓ３でＮｏの場合）、その発熱により冷媒が融解している場合があるため、まずは通常動作させる。

この時、冷媒が凍結していれば冷却器の性能は低下しているため、第一の温度情報Ｔｓは、冷媒が融解している時よりも高い温度まで上昇する。そこで、冷媒の凍結を判断するための判定温度を設け、第一の温度情報Ｔｓが判定温度以下の時は（Ｓ４でＮｏの場合）、電力変換装置１を通常動作させ続ける（Ｓ５）。一方、第一の温度情報Ｔｓが予め定められた判定温度を超えると冷媒が凍結していると判断する（Ｓ４でＹｅｓの場合）。この判定温度は、第二の温度情報Ｔｅが冷媒の融点以下の状態で、電力変換装置１が最大出力で動作したときに第一の温度センサ１３が示し得る最大温度とするのがよい。

制御装置１１は、冷媒が凍結している可能性があるとスイッチング素子５〜１０に対して予め定められた電流を流し（Ｓ６）、スイッチング素子５〜１０の発熱量、第二の温度情報Ｔｅおよび第一の温度情報Ｔｓから冷却器の熱抵抗Ｒｔｈ１を求める（Ｓ７）。ここで、スイッチング素子５〜１０の通電電流と発熱量の関係は、例えばスイッチング素子の仕様等から予め得ることができるため、スイッチング素子の発熱量は通電電流から求めることができる。

冷媒が凍結していると熱抵抗Ｒｔｈ１は大きくなるので、熱抵抗Ｒｔｈ１が所定の値より大きければ、制御装置１１は冷却器１２の冷媒が凍結していると判断する（Ｓ８でＹｅｓの場合）。この時、熱抵抗値Ｒｔｈ１を計算するのではなく、第二の温度情報Ｔｅと第一の温度情報Ｔｓの差が一定値以上になると凍結していると判断してもよい。

また、凍結を判定する方法としては、冷却器の冷媒が完全に融解している時の熱抵抗Ｒｔｈ０と、その時のスイッチング素子５〜１０の通電電流値、および、第二の温度情報Ｔｅから、第一の温度情報Ｔｓを計算し、計算結果と実測結果との差が一定値以上になると凍結していると判断してもよい（Ｓ８でＹｅｓの場合）。この場合は、凍結していると判断したのち、スイッチング素子５〜１０の通電電流値、第二の温度情報Ｔｅおよび第一の温度情報Ｔｓから冷却器の熱抵抗Ｒｔｈ１を求める。

冷媒が凍結していると判断すると（Ｓ８でＹｅｓの場合）、制御装置１１は、熱抵抗Ｒｔｈ１からスイッチング素子に流せる最大電流値Ｉｍａｘを決定する（Ｓ９）。

ここで、車両が、駅などで停車している時または走行中でも惰行運転をしている時のように、電力変換装置１が停止している場合（Ｓ１０でＹｅｓの場合）、制御装置１１は、スイッチング素子が通電するように制御信号Ｐｉを出力し、スイッチング素子の発熱を利用して凍結した冷媒の融解を行う暖機運転をする（Ｓ１１）。この時、制御装置１１は、スイッチング素子５〜１０の通電電流が最大電流値Ｉｍａｘ以下になるように制御する。

また、制御装置１１は、モータ４に電流が流れても車両が加減速しないように、スイッチング素子５〜１０の通電電流を制御する。例えば、三相交流モータ４が誘導モータの場合は、モータの回転速度を測定しモータのすべりが０となるように電流を制御する。三相交流モータ４が同期モータの場合は、モータの回転子の位置を測定しモータにｄ軸電流が流れるように電流を制御する。

特に、車両が駅などに停車している時に、空気ブレーキが動作している状態では、モータ４のトルクが空気ブレーキのトルクよりも小さくなるようにモータ４の通電電流を制御する方法もある。この場合、制御装置１１は、スイッチング素子に対する通電前に車両の空気ブレーキ力を確認する。なお、車両の運転台（図１には図示せず）からブレーキ指令が出ていない場合は、制御装置１１からブレーキ指令を出力する。空気ブレーキの動作を確認すると、制御装置１１は、空気ブレーキのトルクからモータに通電可能な電流を計算し、その計算結果と最大電流値Ｉｍａｘとを比較して小さい方の値を超えないように通電電流を制御する。

制御装置１１は、暖機運転中に凍結していた冷媒が全て融解したと判断すると（Ｓ１２でＹｅｓの場合）、スイッチング素子の通電を止めて暖機運転を終了する（Ｓ１３）。

一方で、鉄道車両の場合、凍結していると判断した直後あるいは凍結した冷媒を融解させるために通電している時に、車両の運転台から電力変換装置１の動作指令が制御装置１１に対して入力される場合がある（Ｓ１０でＮｏの場合）。このとき、スイッチング素子が通電している場合、制御装置１１はスイッチング素子の通電を止める。

次に、制御装置１１は動作指令に従って制御を行う。ここで、制御装置１１がスイッチング素子の通電電流が最大電流値Ｉｍａｘを超えると判断すると、スイッチング素子の通電電流がＩｍａｘ以下になるように電流指令値を制限する暖機運転を行う（Ｓ１４）。電流指令値を制限する暖機運転については、電力変換装置１の動作中に冷媒が凍結していると制御装置１１が判断した場合にも同様に適用できる。暖機運転中に制御装置１１が冷却器１２の冷媒が融解したと判断すると（Ｓ１５でＹｅｓの場合）、電流指令値の制限を解除して暖機運転を終了し（Ｓ１６）、通常運転へ移行する。

次に、冷却器１２の冷媒が融解したと判断する方法について、図３を用いて説明する。図３は、熱抵抗の時間変化を示す図である。Ｒｔｈ０は、基準となる熱抵抗であり、冷媒が完全に融解している場合の熱抵抗を示す。制御装置１１は、暖機運転中にスイッチング素子５〜１０の通電電流が一定になるように制御し、通電電流値、第二の温度情報Ｔｅおよび第一の温度情報Ｔｓから冷却器の熱抵抗Ｒｔｈ２を求める。ここで、熱抵抗Ｒｔｈ２が、冷媒が完全に融解している時の熱抵抗Ｒｔｈ０と等しくなると冷媒が融解したと判断する。なお、温度センサ１３、１４には測定誤差あるため、熱抵抗Ｒｔｈ２が熱抵抗Ｒｔｈ０と一致しなくても、温度センサ１３、１４の誤差の範囲内で一致したときに融解したと判断してもよい。例えば、温度センサの誤差が１０％だったとすると、熱抵抗Ｒｔｈ２が熱抵抗Ｒｔｈ０±１０％になった時に融解したと判断する。

また、図４は、温度センサの測定値の時間変化を示す図で、この特性を用いて熱抵抗値から冷却器の温度を計算し、実測値と比較して融解を判断する手法がある。この場合も、暖機運転中においてはスイッチング素子５〜１０の通電電流が一定になるように制御する。次に、制御装置１１は、スイッチング素子５〜１０の発熱量と冷媒凍結の判断時に計算した冷却器１２の熱抵抗Ｒｔｈ１を用いて、第二の温度情報Ｔｅに対する第一の温度情報Ｔｓの計算値であるＴｓ’を計算し、同時刻における第一の温度情報Ｔｓの実測値と比較する。ここで、冷媒が融解すれば冷却器１２の冷却能力は向上するため、温度上昇が緩やかになり、第一の温度情報Ｔｓの実測値は計算値Ｔｓ‘よりも低くなる。そこで、第一の温度情報Ｔｓの計算値と実測値との温度差ΔＴが一定値以上になると、冷媒が融解したと判断する。この判定に用いる温度差の値は、例えば第二の温度センサの最大誤差温度とすれば、温度差が温度センサの最大誤差温度以上であれば計算値と実測値の間には明らかに差が生じていることになり、冷媒の融解が判断可能となる。

あるいは、熱抵抗Ｒｔｈ１と、冷媒が完全に凍結している時の熱抵抗Ｒｔｈ０が等しい場合は、冷媒の融解に必要な熱量とスイッチング素子５〜１０の発熱量から判断する方法もある。制御装置１１は、冷媒を融解させるために必要な熱量を計算する。この必要な熱量は、融点までの温度上昇に必要な熱量と融解熱に分けられる。融点までの温度上昇に必要な熱量は、第二の温度情報Ｔｅまたは第一の温度情報Ｔｓと融点および冷媒の比熱から計算でき、融解熱は、冷媒に使用する液体によって決まる。また、スイッチング素子の発熱量は、スイッチング素子５〜１０の通電電流から求めることができる。そうすると、求めたスイッチング素子５〜１０の発熱量が、冷媒を融解させるために必要な熱量より大きくなれば、冷媒は融解したと判断する。ただし、この時のスイッチング素子５〜１０から冷却器１２への伝熱効率を考慮する必要がある。

なお、本実施例１における暖機運転は、制御装置１１が自動で起動することを前提としているが、冷媒の凍結を乗務員室に示した上で、乗務員の判断により乗務員室内にある起動用スイッチを押して手動で起動できるようにしてもよい。

この方法により、冷媒が凍結している場合でも、暖機運転によりスイッチング素子の温度上昇を防止したまま冷媒を融解させることができ、また、冷媒が凍結している場合を考慮した冷却器のハード設計が不要となる。これにより、冷却器の大きさを変えないまま、所望の冷却器を有した寒冷地向け駆動装置を提供できる。なお、本実施例１は、液体を冷媒とする冷却器であれば、ヒートパイプ式であっても水冷式であっても適用可能である。

図５は、本発明による駆動装置における第二の実施形態（実施例２）を示している。実施例１と異なる点は、架線から供給される電力が交流電力である点である。なお、図１と共通する機器については、同じ項番として説明を省略する。

電力変換装置１５は、交流架線１６から変圧器１７を介して単相交流電力が供給され、直流電力に変換して電力変換装置１に供給する。また、電力変換装置１５は、スイッチング素子１８〜２１で構成され、各スイッチング素子は、制御装置１１から出力された信号Ｐｃによって個別にオンオフ制御が行われる。
制御装置１１は、電力変換装置１および電力変換装置１５の両方を制御しているが、通信による情報のやり取りが可能であるならば、電力変換装置１を制御する制御装置と電力変換装置１５を制御する制御装置に分けてもよい。

冷却器２２は、冷媒として液体を使用する冷却器で、スイッチング素子１８〜２１を冷却する。コンデンサ２４は、電力変換装置１５と１の中間部に設置され、電力変換装置１５から出力される電流に含まれる交流成分を吸収する。また、中間部には、コンデンサ２４に加えてリアクトルとコンデンサで構成されるフィルタ回路を設置してもよい。

第三の温度センサ２３は、スイッチング素子１８〜２１の温度を測定するセンサで、スイッチング素子の第三の温度情報Ｔｓ２を出力する。第四の温度センサ２４は、冷却器の放熱部、例えばヒートパイプの先端部やフィン等の温度を測定する温度センサで、第四の温度情報Ｔｅ２を出力する。また、第三の温度情報Ｔｓ２および第四の温度情報Ｔｅ２は、制御装置１１に入力される。第三の温度センサ２３が測定する温度は、冷却器の受熱部側の温度あればスイッチング素子１８〜２１の温度である必要はなく、例えば冷却器のベースの温度でもよい。また、第四の温度センサ２４は、電力変換装置１と同じく空調機器管理のために外気温を測定するセンサで代用してもよく、この場合、温度センサ１４と２４は共通化できる。

ここで、冷却器１２と冷却器２２の受熱部が共通の場合は、温度センサ１３と２３は共通化してよく、冷却器１２と冷却器２２の放熱部が共通の場合は温度センサ１４と２４は共通化してよい。

次に実際の動作の流れについて説明する。基本的な動作の流れについては、実施例１の場合（図２）と同様である。
制御装置１１は、受熱部側の温度情報Ｔｓ、Ｔｓ２と放熱部側の温度情報Ｔｅ、Ｔｅ２を監視し、少なくとも一方が冷却機１２に用いられている冷媒の融点以下だった場合に、冷媒が凍結している可能性があると判断する。ただし、冷媒が凍結している可能性があると判断した時点で、電力変換装置１および電力変換装置１５のうちの少なくとも一方がすでに動作している場合は、その発熱により冷媒が融解している可能性があるため、まずは通常動作させる。

この時、冷媒が凍結していれば冷却器の性能は低下しているため、温度情報ＴｅおよびＴｅ２は、冷媒が融解している時よりも高い温度まで上昇する。そこで、冷媒の凍結を判断するために、第一の温度情報Ｔｓに対する第一の判定温度および第三の温度情報Ｔｓ２に対する第二の判定温度を設け、温度情報ＴｓおよびＴｓ２ともに各判定温度以下の時は、電力変換装置１および電力変換装置１５は通常動作を続ける。

一方で、温度情報ＴｓおよびＴｓ２のうちの少なくとも一方が、各温度情報に対する判定温度を超えると冷媒が凍結していると判断する。この第一の判定温度は冷媒の融点以下の状態で、電力変換装置１が最大出力で動作したときに第一の温度センサ１３が取り得る最大値とするのがよい。また、第二の判定温度は、第四の温度情報Ｔｅ２が冷媒の融点以下の状態で、電力変換装置１５が最大出力で動作したときに第三の温度センサ２３が取り得る最大値とするのがよい。

制御装置１１は、冷媒が凍結している可能性があるとスイッチング素子５〜１０、１８〜２１に対して通電する。この時、制御装置１１は、スイッチング素子５〜１０の通電電流値、第二の温度情報Ｔｅおよび第一の温度情報Ｔｓから冷却器１２の熱抵抗Ｒｔｈ１を求める。また、スイッチング素子１８〜２１の通電電流値、第四の温度情報Ｔｅ２および第三の温度情報Ｔｓ２から冷却器２２の熱抵抗Ｒｔｈ４を求める。

また、制御装置１１は、熱抵抗Ｒｔｈ１が所定の値より大きければ冷却器１２の冷媒が、熱抵抗Ｒｔｈ４が所定の値より大きければ冷却器２２の冷媒が、それぞれ凍結していると判断する。この時、熱抵抗値Ｒｔｈ１、Ｒｔｈ４を計算するのではなく、第二の温度情報Ｔｅと第一の温度情報Ｔｓの差が一定値以上になると冷却器１２の冷媒が、第四の温度情報Ｔｅ２と第三の温度情報Ｔｓ２の差が一定値以上になると冷却器２２の冷媒が、それぞれ凍結していると判断してもよい。

そしてまた、実施例１と同様に、冷却器の冷媒が完全に融解している時の各冷却器の熱抵抗とその時にスイッチング素子５〜１０および１８〜２１の各通電電流値、並びに、温度情報ＴｅおよびＴｅ２から、温度情報ＴｓおよびＴｓ２を計算し、温度Ｔｓの計算結果と実測結果との差が一定値以上になると冷却器１２の冷媒が、温度Ｔｓ２の計算結果と実測結果との差が一定値以上になると冷却器２２の冷媒が、それぞれ凍結していると判断してもよい。この場合は、凍結していると判断したのち、凍結している冷媒をもつ冷却器により冷却されているスイッチング素子の通電電流値、冷却器の放熱部側の温度および冷却器の受熱部側の温度から、各冷却器の熱抵抗を求める。

冷媒が凍結していると判断すると、制御装置１１は、熱抵抗Ｒｔｈ１からスイッチング素子５〜１０に流せる最大電流値Ｉｍａｘを、熱抵抗Ｒｔｈ４からスイッチング素子１８〜２１に流せる最大電流値Ｉｍａｘ２を、それぞれ決定する。

ここで、電力変換装置１および１５が停止していれば、制御装置１１は暖機運転を行うが、冷媒が凍結している冷却器によって、以下の３つの動作パターンに分類される。

（パターン１）
冷却器１２の冷媒のみが凍結している場合、制御装置１１は、実施例１と同様に、スイッチング素子５〜１０の通電電流が最大電流値Ｉｍａｘ以下となるように、制御信号Ｐｉを電力変換装置１に対して出力する。この時、通電の仕方についても、実施例１と同様である。また、電力変換装置１５に対しては、中間部の電圧が一定となるように制御信号Ｐｃを出力する。

（パターン２）
冷却器２２の冷媒のみが凍結している場合、制御装置１１は、電力変換装置１に対して、電力変換装置１５のスイッチング素子１８〜２１の通電電流がＩｍａｘ２以下となるように、制御信号Ｐｉを出力する。通電の仕方については、実施例１と同様である。電力変換装置１５に対しては、上記と同様に電力変換装置１が動作しても、中間部の電圧が一定となるように制御信号Ｐｃを出力する。また、冷却器２２の冷媒のみが凍結している場合の他の対処として、電力変換装置１５だけを動作させてもよい。この場合は、電力変換装置１５の負荷がなくなるため、スイッチング素子１８〜２１に電流を流すために、制御装置１１は、電力変換装置１５の電圧指令値を変更し、それに基づいて制御信号Ｐｃを出力し通電させる。

（パターン３）
冷却器１２および２２の冷媒が凍結している場合には、制御装置１１は、スイッチング素子１８〜２１の通電電流がＩｍａｘ２となるように制御した場合に、スイッチング素子５〜１０の通電電流を計算しＩｍａｘと比較する。計算した結果がＩｍａｘより小さければ、冷却器２２の冷媒のみが凍結している場合と同様の制御信号Ｐｉを出力し、計算した結果がＩｍａｘより大きければ、冷却器１２の冷媒のみが凍結している場合と同様の制御信号Ｐｉを出力する。電力変換装置１５に対しては、中間部の電圧が一定となるように制御信号Ｐｃを出力する。
上記のような通電状態で、制御装置１１は、実施例１に示した方法により冷媒が融解したと判断すると、通電を止めて暖機運転を終了する。

一方で、凍結していると判断した直後あるいは凍結した冷媒を融解させるために通電している時に、制御装置１１に対して、電力変換装置１および１５の動作指令が制御装置１１に入力される場合がある。このとき、スイッチング素子に通電している場合、制御装置１１はスイッチング素子５〜１０、１８〜２１の通電を止める。

次に、制御装置１１は、スイッチング素子１８〜２１の通電電流がＩｍａｘ２となるように制御した場合に、スイッチング素子５〜１０の通電電流Ｉ０を計算しＩｍａｘと比較する。Ｉ０がＩｍａｘより小さければ、スイッチング素子５〜１０の通電電流がＩ０以下になるように、電力変換装置１の制御時に使用する電流指令値を制限する。Ｉ０がＩｍａｘより大きければ、スイッチング素子５〜１０の通電電流がＩｍａｘ以下になるように、電力変換装置１の制御時に使用する電流指令値を制限する。電力変換装置１５に対しては、Ｉ０とＩｍａｘの大小関係に関係なく、中間部の電圧が一定となるように制御する。

制御装置１１は、実施例１に示した方法により冷媒が融解したと判断すると、電流指令値を制限する暖機運転を終了し通常運転に移行する。
なお、本実施例２における暖機運転は、制御装置１１が自動で起動することを前提としているが、冷媒の凍結を乗務員室に示した上で、乗務員の判断により乗務員室内にある起動用スイッチを押して手動で起動できるようにしてもよい。

この方法により、冷媒が凍結している場合でも、暖機運転によりスイッチング素子の温度上昇を防止したまま冷媒を融解させることができ、また、冷媒が凍結している場合を考慮した冷却器のハード設計が不要となる。これにより、冷却器の大きさを変えないまま、所望の冷却器を有した寒冷地向け駆動装置を提供できる。なお、本実施例２は、液体を冷媒とする冷却器であれば、ヒートパイプ式であっても水冷式であっても適用可能である。

図６は、本発明による駆動装置における第三の実施形態（実施例３）を示している。実施例１と異なる点は、冷却器の放熱部に風を送るファンを搭載している点である。なお、図１と共通する機器については、同じ項番として説明を省略する。本実施例３では、電力変換装置１は、直流電力を直流架線２からフィルタを介して供給されているが、実施例２のように、交流架線から変圧器と電力変換装置を介して供給されていてもよい。

ファン２６は、冷却器１２の放熱部に風を送る役目を担っており、制御装置１１によりＯＮ・ＯＦＦの制御がされている。実施例２のように、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置とその冷却器を有する場合は、冷却器ごとにファンを設けてもよいし、一つのファンで両冷却器の放熱部に風を供給してもよい。また、ファン２６の役目は、冷却器１２の放熱部に風を供給することであるため、ファンの代わりにブロアを用いてもよい。

制御装置１１は、実施例１や実施例２に示した手法により冷却器１２の冷媒が凍結していると判断するとファン２６を停止する。複数の冷却器を有する場合は、実施例１や実施例２に示した手法により、少なくとも一つの冷却器の冷媒が凍結していると判断すると、すべてのファンを停止する。これは、暖機運転中にファンによって冷却器１２の性能が高くなると、暖機運転の効果が小さくなるためである。冷却器１２の冷媒が融解し暖機運転が終了すると、ファンの駆動を再開する。

なお、電力変換装置が停止している場合、冷媒が凍結している可能性があると制御装置１１が判断した時点で、ファンを一旦停止してもよい。この場合、熱抵抗の測定により冷媒が凍結していると判断すると、そのままファンを停止し続け、融解していると判断すると、ファンを再駆動させるようにしてもよい。

この方法により、強制風冷式を備えた冷却器においても、冷媒が凍結している場合に暖機運転を可能にするため、冷媒が凍結している場合を考慮した冷却器のハード設計が不要となる。これにより、冷却器の大きさを変えないまま、所望の冷却器を有した寒冷地向け駆動装置を提供できる。なお、本実施例３は、液体を冷媒とする冷却器であれば、ヒートパイプ式であっても水冷式であっても適用可能である。

図７は、本発明による駆動装置における第四の実施形態（実施例４）を示している。通常走行時は、車両走行時に取込口から走行風２７を取り込み、冷却器の放熱部２８に走行風が供給されるようになっている。放熱部２８は、１台の冷却器のものでもよいし、複数台の冷却器のものでもよい。

車両の制御装置（図７には未記載）は、車両が走行している時に冷却器１２の冷媒が凍結していることを確認し暖機運転が必要だと判断すると、通風弁２９を動作させ通風ダクトを塞ぎ、走行風が放熱部２８に供給されないようにする。冷媒が融解したと判断し通常運転に戻るときに、通風弁２９を開放する。

なお、本実施例４では、走行風が入ってくる取込口付近の通風弁しか動作させていないが、車両が逆方向にも進むことを考えると、反対側の取込口付近にも通風弁を設置することは必須である。そのため、冷媒凍結時は、両方の通風弁を動作させるようにしてもよい。

この方法により、ダクトを用いる走行風冷式を備えた冷却器において、走行中に暖機運転を実施する場合に、走行風の影響により冷媒が再凍結することを防ぐことが可能となる。なお、本実施例４は、液体を冷媒とする冷却器であれば、ヒートパイプ式であっても水冷式であっても適用可能である。

１、１５・・・電力変換装置
２・・・直流架線
３・・・フィルタ回路
４・・・三相交流モータ
５〜１０、１８〜２１・・・スイッチング素子
１１・・・制御装置
１２、２２・・・冷却器
１３、２３・・・第一の温度センサ
１４、２４・・・第二の温度センサ
１６・・・交流架線
１７・・・変圧器
２５・・・ＤＣリンクコンデンサ
２６・・・ファン
２７・・・走行風
２８・・・冷却器の放熱部
２９・・・通風弁
Ｔｓ、Ｔｓ２・・・冷却器の受熱部側の温度
Ｔｅ、Ｔｅ２・・・冷却器の放熱部側の温度
Ｒｔｈ１〜Ｒｔｈ４・・・冷却器の熱抵抗

Claims (15)

1. 直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するためにスイッチング素子で構成される電力変換装置と、
   前記電力変換装置を制御する制御装置と、
   前記スイッチング素子を冷却するための冷媒として液体を使用する冷却器を備え、
   前記冷却器は、
   前記スイッチング素子に接触してその熱を吸収する受熱部と、
   前記受熱部の温度を測定する受熱部温度センサと、
   前記スイッチング素子から吸収した熱を放熱する放熱部と、
   前記放熱部の温度を測定する放熱部温度センサを有し、
   前記制御装置は、
   前記受熱部温度センサおよび前記放熱部温度センサの各測定値の少なくとも一方が前記冷媒の融点以下になった場合に、
   前記スイッチング素子に対して所定の電流を流すことにより検出される前記受熱部温度センサおよび前記放熱部温度センサの各測定値に基づいて、前記冷媒が凍結しているかどうかを判断するための演算部を有する
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記受熱部の温度は、前記スイッチング素子の温度または前記受熱部の基材となる前記冷却器のベースの温度であり、
   前記放熱部の温度は、前記冷却器のフィンの温度または前記冷却器に用いるヒートパイプの先端部の温度、もしくは外気温度のいずれかである
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
3. 請求項１に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記演算部は、前記検出される前記受熱部温度センサおよび前記放熱部温度センサの各測定値と前記スイッチング素子の発熱量またはそれに準ずる通電電流値を用いて算出する前記冷却器の熱抵抗値の大きさから、前記冷媒が凍結しているかどうかを判断する
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
4. 請求項３に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記演算部は、前記冷媒が凍結していると判断したときに、前記熱抵抗値から前記スイッチング素子に通電可能な電流の最大値を計算する
   ことを特徴とする鉄道車両用駆動装置。
5. 請求項４に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記判断したときに前記電力変換装置が停止していた場合、
   前記制御装置は、前記最大値を超えないように前記スイッチング素子の通電電流を制御することで前記スイッチング素子を発熱させ、凍結した前記冷媒を融解する暖機運転を実施する
   ことを特徴とする鉄道車両用駆動装置。
6. 請求項４に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記判断したときに前記電力変換装置が停止していない場合、
   前記制御装置は、前記スイッチング素子の通電電流を前記最大値以下に制限する暖機運転を実施する
   ことを特徴とする鉄道車両用駆動装置。
7. 請求項６に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記負荷が交流モータである場合には、
   前記制御装置は、前記交流モータの発生トルクが車両を加減速させないように前記スイッチング素子の通電電流を制御する
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
8. 請求項６に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記負荷が交流モータであり車両の空気ブレーキが動作している場合には、
   前記制御装置は、前記交流モータの発生トルクが前記空気ブレーキのトルクよりも小さくなるように前記スイッチング素子の通電電流を制御する
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
9. 請求項５または６に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
   前記演算部は、前記暖機運転中の前記冷却器の熱抵抗値を計算し、該計算した熱抵抗値と前記冷媒の完全融解時の熱抵抗値との差が所定値以下になると前記冷媒が融解したと判断することで、前記暖機運転を終了する
   ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
10. 請求項５または６に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
    前記演算部は、前記暖機運転中の前記スイッチング素子の発熱量、前記冷媒が凍結していると判断したときの前記冷却器の熱抵抗値および前記放熱部温度センサの測定値から前記暖機運転中の前記受熱部の温度を計算し、該計算した前記受熱部の温度と前記受熱部温度センサの測定値との差が所定値以上になると前記冷媒が融解したと判断することで、前記暖機運転を終了する
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
11. 請求項５または６に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
    前記演算部は、前記冷媒を融解させるために必要な熱量および前記暖機運転中に前記スイッチング素子の通電電流から前記スイッチング素子の発熱量、をそれぞれ計算し、前記スイッチング素子の発熱量が前記冷媒を融解させるために必要な熱量を超えた場合に、前記冷媒が融解したと判断することで、前記暖機運転を終了する
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
12. 交流架線から供給される交流電力を直流電力に変換するために第一のスイッチング素子で構成される第一の電力変換装置と、
    前記第一の電力変換装置から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するために第二のスイッチング素子で構成される第二の電力変換装置と、
    前記第一および第二の各電力変換装置を制御する制御装置と、
    前記第一のスイッチング素子を冷却するための第一の冷媒として液体を使用した第一の冷却器と、
    前記第二のスイッチング素子を冷却するための第二の冷媒として液体を使用した第二の冷却器を備え、
    前記第一の冷却器は、
    前記第一のスイッチング素子に接触してその熱を吸収する第一の受熱部と、
    前記受熱部の温度を測定する第一の受熱部温度センサと、
    前記第一のスイッチング素子から吸収した熱を放熱する第一の放熱部と、
    前記放熱部の温度を測定する第一の放熱部温度センサを有し、
    前記第二の冷却器は、
    前記第二のスイッチング素子に接触してその熱を吸収する第二の受熱部と、
    前記受熱部の温度を測定する第二の受熱部温度センサと、
    前記第二のスイッチング素子から吸収した熱を放熱する第二の放熱部と、
    前記放熱部の温度を測定する第二の放熱部温度センサを有し、
    前記制御装置は、
    前記第一の受熱部温度センサおよび前記第一の放熱部温度センサの各測定値の少なくとも一方が前記第一の冷媒の融点以下に、並びに、前記第二の受熱部温度センサおよび前記第二の放熱部温度センサの各測定値の少なくとも一方が前記第二の冷媒の融点以下に、少なくとも一方がなった場合に、
    前記第一および第二の各スイッチング素子に対して所定の電流を流すことにより検出される、前記第一の受熱部温度センサおよび前記第一の放熱部温度センサの各測定値に基づいて前記第一の冷媒が凍結しているかどうか、並びに、前記第二の受熱部温度センサおよび前記第二の放熱部温度センサの各測定値に基づいて前記第二の冷媒が凍結しているかどうか、
    を判断するための演算部を有する
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
13. 請求項１２に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
    前記演算部は、前記検出される前記第一の受熱部温度センサおよび前記第一の放熱部温度センサの各測定値と前記第一のスイッチング素子の発熱量またはそれに準ずる通電電流値を用いて算出する前記第一の冷却器の熱抵抗の大きさから、前記第一の冷媒が凍結しているかどうかを、並びに、前記検出される前記第二の受熱部温度センサおよび前記第二の放熱部温度センサの各測定値と前記第二のスイッチング素子の発熱量またはそれに準ずる通電電流値を用いて算出する前記第二の冷却器の熱抵抗の大きさから、前記第二の冷媒が凍結しているかどうかを、少なくとも一方において判断する
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
14. 請求項１または１２に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
    前記放熱部または前記第一および第二の各放熱部の少なくとも一方に風を供給するファンまたはブロアを設け、
    前記制御装置は、前記冷媒または前記第一および第二の各冷媒の少なくとも一方が凍結していると判断して暖機運転を実施する場合、前記ファンまたはブロアをすべて停止する
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
15. 請求項１または１２に記載の鉄道車両用の駆動装置において、
    前記放熱部または前記第一および第二の各放熱部の少なくとも一方に走行風を供給する通風ダクトを設けた車両が備える前記制御装置は、
    前記冷媒または前記第一および第二の各冷媒の少なくとも一方が凍結していると判断して暖機運転を実施する場合、前記通風ダクトを塞ぐ
    ことを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。

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